具有短路保护的栅极驱动器的制作方法
本申请总体涉及用于固态开关的栅极驱动器，其中来自开关的反馈用于检测并提供开关的短路保护。
背景技术：
包括混合动力车辆(hev)和电池电动车辆(bev)的电动车辆依靠牵引电池向牵引马达提供用于推进的电力，并且依靠其间的功率逆变器以将直流(dc)功率转换为交流(ac)功率。典型的ac牵引马达是三相马达，其可由3个正弦信号供电，每个信号以120度相分离驱动。牵引电池被配置为在特定电压范围内操作并提供最大电流。牵引电池可选地被称为高压电池，其中典型的牵引电池的端电压超过100伏dc。然而，通过在不同的电压范围内操作，通常在大于牵引电池端电压的电压下，可以实现电机的改进的性能。同样地，驱动车辆电机的电流要求通常涉及大电流，其中在操作中电流可能超过600安培。高电流和电压对电机电感的影响可能导致在开关打开并且能量存储在电机电感器的场中时在开关两端的电压尖峰。
此外，许多电动车辆包括也被称为可变电压转换器(vvc)的dc-dc转换器，以将牵引电池的电压转换为电机的操作电压电平。可能包括牵引马达的电机可能需要高电压和高电流。由于电压、电流和开关要求，通常使用诸如绝缘栅双极结型晶体管(igbt)的固态开关来产生功率逆变器和vvc中的信号。同样，dc-dc转换器或vvc具有电感器，当开关打开并且能量存储在转换器的电感器的场中时，电感器可能导致开关两端的电压尖峰。
技术实现要素：
一种功率模块，包括配置成驱动负载的第一开关和第一栅极驱动器。第一栅极驱动器被配置为：当负载电流小于阈值时输出快速关断信号；当电流超过阈值达到由掩码定时器定义的时间段时，锁存软关断信号；并且响应于当电流超过阈值时在掩码定时器期满之前接收到的关断请求，抑制快速关断信号达到大于该时间段的持续时间。
一种控制igbt的方法，包括：当负载电流小于阈值时输出快速关断信号；当负载电流超过阈值达到由掩码定时器定义的时间段时，锁存软关断信号；并且响应于当负载电流超过阈值时在掩码定时器期满之前接收到的关断请求，抑制快速关断信号达到大于该时间段的持续时间。
一种车辆，包括被配置为向车辆提供推进力的电机以及配置成使用配置为半桥的第一和第二开关从牵引电池向电机供电的功率逆变器，其中第一开关被栅极驱动器控制。栅极驱动器被配置为：在负载电流超过阈值时以软关断模式操作达到由掩码定时器定义的时间段；当负载电流低于阈值时，栅极驱动器以快速关断模式操作；并且响应于在负载电流超过阈值之后在掩码定时器期满之前接收到的关断请求，启用软关断模式。
附图说明
图1是示出了典型的传动系和能量存储部件的混合动力车辆的示意图，典型的传动系和能量存储部件之间具有可变电压转换器和功率逆变器；
图2是车辆可变电压转换器的示意图；
图3是车辆电机逆变器的示意图；
图4a是随着时间施加到开关的栅极的电压的图示说明；
图4b是随着时间由开关驱动的负载电流的图示说明；
图5是用于两个igbt的双栅极驱动电路的示意图，其包括通过具有跨死区时间延迟的软关断的短路保护；
图6是用于igbt的栅极驱动电路的示意图，其具有通过软关断的短路保护；
图7是用于两个igbt的双栅极驱动电路的示意图，其包括使用原始电流反馈的短路保护，以启用具有跨死区时间延迟的软关断。
具体实施方式
本文描述了本公开的实施例。然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种和替代形式。图形不一定按比例；某些特征可能被夸大或最小化，以显示特定部件的细节。因此，本文公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是用于教导本领域技术人员多样地应用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考附图中任一图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他图中示出的特征组合以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，对于特定应用或实施方式，可能期望与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改。
诸如绝缘栅双极结型晶体管(igbt)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或双极结型晶体管(bjt)的固态器件(ssd)广泛用于各种汽车和工业应用中，例如电动马达驱动器、功率逆变器、dc-dc转换器和功率模块。igbt和mosfet的操作是电压控制的，其中操作基于施加到igbt或mosfet的栅极的电压，而bjt的操作是电流控制的，其中操作基于施加到bjt的基极的电流。这里将讨论igbt的使用，但其结构和方法也适用于其他ssd。igbt的操作由栅极驱动器提供的栅极电压控制。常规栅极驱动器通常基于通过限流电阻器施加到igbt栅极的超出阈值电压的电压，该限流电阻器通常由可切换电压源和栅极电阻器组成。低栅极电阻将导致快速的开关速度和低开关损耗，但也可能导致半导体器件上的较高应力，例如过压应力。因此，选择栅极电阻以寻求开关损耗、开关延迟和应力之间的折中。当关断igbt时，栅极电阻器减小了从栅极流出的电流，从而增加了igbt的关断时间。此外，栅极驱动器可以使用不同的导通和关断栅极电阻器来单独控制导通和关断开关速度。
关于开关损耗考虑的另一个因素是当部件处于故障状态时切断部件，例如在短路状态期间。控制或驱动混合动力车辆或电动车辆中的牵引逆变器的开关(例如igbt)的栅极驱动器通常包括用于保护开关的短路(sc)保护功能。通常，栅极驱动器芯片接收输入栅极信号并相应地导通/关断igbt。在正常操作条件下，通过向开关的控制栅极输出信号来实现导通和关断。例如，“on(开)”输出可以使电流流过导通电阻(ron)，而“off(关)”输出可以使电流流过断开电阻(roff)。当出现短路状态时，可能会触发sc保护。sc保护可以包括可以使电流流过软关断电阻(rsoft)的“软”输出。该软关断电阻减小了从栅极流出的电流，从而增加了igbt的过渡时间。过渡时间的增加被认为是软关断开关。通常，rsoft比典型的roff具有更大的电阻，从而减小了开关器件两端的任何冲击电压。通过减小开关两端的冲击电压，当电流非常高时，栅极驱动器可以保护igbt免受电压击穿。此外，栅极驱动器可以向系统报告sc故障，并且可以应用某些系统级保护策略。
图1描绘了可以被称为插电式混合动力车辆(phev)的电动车辆112。插电式混合动力车辆112可以包括机械地连接到混合动力变速器116的一个或多个电机114。电机114可以作为马达或发电机操作。此外，混合动力变速器116机械地连接到发动机118。混合动力变速器116也机械地连接到被机械地连接到车轮122的驱动轴120。当发动机118开启或关断时，电机114可以提供推进和减速能力。电机114还可以用作发电机，并且通过回收通常在摩擦制动系统中作为热量而损失的能量来提供燃料经济性的好处。电机114还可以通过允许发动机118以更有效的速度运转并且允许混合动力车辆112在特定条件下关闭发动机118的情况下以电动模式操作来减少车辆排放。电动车辆112也可以是电池电动车辆(bev)。在bev配置中，发动机118可以不存在。在其他配置中，电动车辆112可以是没有插电能力的全混合动力车辆(fhev)。
牵引电池或电池组124存储可以由电机114使用的能量。车辆电池组124可以提供高压直流(dc)输出。牵引电池124可以电连接到一个或多个电力电子模块126。一个或多个接触器142可以在打开时将牵引电池124与其它部件隔离，并且在闭合时将牵引电池124连接到其它部件。电力电子模块126还电连接到电机114并且提供在牵引电池124和电机114之间双向传递能量的能力。例如，牵引电池124可以提供dc电压，而电机114可以以三相交流电(ac)操作运行。电力电子模块126可以将dc电压转换成三相ac电流以操作电机114。在再生模式中，电力电子模块126可以将来自用作发电机的电机114的三相ac电流转换成与牵引电池124兼容的dc电压。
车辆112可以包括电连接在牵引电池124和电力电子模块126之间的可变电压转换器(vvc)152。vvc152可以是被配置为增加或升高由牵引电池124提供的电压的dc/dc升压转换器。通过增加电压，电流要求可以被降低，导致电力电子模块126和电机114的接线尺寸减小。此外，电机114可以以更高的效率和更低的损耗来操作。
除了提供用于推进的能量之外，牵引电池124可以为其他车辆电气系统提供能量。车辆112可以包括将牵引电池124的高压dc输出转换成与低压车辆负载兼容的低压dc供电的dc/dc转换器模块128。dc/dc转换器模块128的输出可以电连接到辅助电池130(例如12v电池)以用于对辅助电池130充电。低压系统可以电连接到辅助电池130。一个或多个电负载146可以连接到高压总线。电负载146可以具有在适当的时候操作和控制电负载146的相关联的控制器。电负载146的示例可以是风扇、电加热元件和/或空调压缩机。
电动车辆112可以被配置为从外部电源136对牵引电池124再充电。外部电源136可以是与电源插座的连接。外部电源136可以电连接到充电器或电动车辆供电设备(evse)138。外部电源136可以是由电力公司提供的配电网或电网。evse138可以提供电路和控制以调节和管理电源136和车辆112之间的能量传递。外部电源136可以向evse138提供dc或ac功率。evse138可以具有用于插入车辆112的充电端口134的充电连接器140。充电端口134可以是被配置为将功率从evse138传递到车辆112的任何类型的端口。充电端口134可以电连接到充电器或车载功率转换模块132。功率转换模块132可以调节从evse138供应的功率，以向牵引电池124提供适当的电压和电流电平。功率转换模块132可以与evse138连接以协调向车辆112的功率输送。evse连接器140可以具有与充电端口134的相应凹部配合的引脚。或者，描述为电联接或连接的各种部件可以使用无线电感耦合来传递功率。
可以提供一个或多个车轮制动器144用于使车辆112减速并防止车辆112的运动。车轮制动器144可以是液压致动的、电致动的或其某些组合。车轮制动器144可以是制动系统150的一部分。制动系统150可以包括用于操作车轮制动器144的其他部件。为了简单起见，该图示出了制动系统150和一个车轮制动器144之间的单个连接。默示了制动系统150与另一个车轮制动器144之间的连接。制动系统150可以包括用于监测和协调制动系统150的控制器。制动系统150可以监测制动部件并控制车轮制动器144以使车辆减速。制动系统150可以响应于驱动器命令，并且还可以自主地操作以实现诸如稳定性控制的特征。制动系统150的控制器可以实现当被另一控制器或子功能请求时施加所请求的制动力的方法。
车辆112中的电子模块可以经由一个或多个车辆网络进行通信。车辆网络可以包括用于通信的多个通道。车辆网络的一个通道可以是诸如控制器局域网(can)的串行总线。车辆网络的一个通道可以包括由电气和电子工程师协会(ieee)802系列标准定义的以太网。车辆网络的附加通道可以包括模块之间的离散连接，并且可以包括来自辅助电池130的功率信号。不同的信号可以在车辆网络的不同信道上传递。例如，视频信号可以通过高速通道(例如以太网)传递，而控制信号可以通过can或离散信号传递。车辆网络可以包括有助于在模块之间传递信号和数据的任何硬件和软件部件。车辆网络在图1中未示出，但是默示了车辆网络可以连接到存在于车辆112中的任何电子模块。可以存在车辆系统控制器(vsc)148以协调各种部件的操作。
图2描绘了配置为升压转换器的vvc152的图。vvc152可以包括可以通过接触器142连接到牵引电池124的端子的输入端子。vvc152可以包括连接到电力电子模块126的端子的输出端子。vvc152可以被操作以使输出端子处的电压大于输入端子处的电压。车辆112可以包括vvc控制器200，其监测和控制在vvc152内的各个位置的电参数(例如电压和电流)。在一些配置中，vvc控制器200可以被包括作为vvc152的一部分。vvc控制器200可以确定输出参考电压，
可以控制vvc152的输出电压以实现期望的参考电压。在一些配置中，vvc152可以是升压转换器。在vvc控制器200控制占空比的升压转换器配置中，输入电压vin与输出电压vout和占空比d之间的理想关系可以使用以下等式来表示：
可以通过测量输入电压(例如牵引电池电压)并将输出电压设置为参考电压来确定期望的占空比d。vvc152可以是降低从输入到输出的电压的降压转换器。在降压配置中，可以导出将输入和输出电压与占空比相关联的不同表达式。在一些配置中，vvc152可以是可以增加或减小输入电压的升降压转换器(buck-boostconverter)。本文描述的控制策略不限于特定的可变电压转换器拓扑。
参考图2，vvc152可以升高或“提高”由牵引电池124提供的电功率的电势。牵引电池124可以提供高电压(hv)dc功率。在一些配置中，牵引电池124可以提供150至400伏之间的电压。接触器142可以串联电连接在牵引电池124和vvc152之间。当接触器142关闭时，hvdc功率可以从牵引电池124传递到vvc152。输入电容器202可以并联电连接到牵引电池124。输入电容器202可以稳定总线电压并降低任何电压和电流纹波。vvc152可以接收hvdc功率，并根据占空比升高或“提高”输入电压的电势。
输出电容器204可以电连接在vvc152的输出端子之间。输出电容器204可以稳定总线电压并且降低vvc152的输出处的电压和电流纹波。
此外，参考图2，vvc152可以包括用于升高输入电压以提供升高的输出电压的第一开关器件206和第二开关器件208。开关器件206、208可以被配置为选择性地将电流流向电负载(例如电力电子模块126和电机114)。每个开关器件206、208可以由vvc控制器200的栅极驱动电路(未示出)单独控制，并且可以包括任何类型的可控开关(例如绝缘栅双极型晶体管(igbt)或场效应晶体管(fet))。栅极驱动电路可以基于控制信号(例如pwm控制信号的占空比)向每个开关器件206、208提供电信号。二极管可以连接在每个开关器件206、208两端。开关器件206、208可以各自具有相关联的开关损耗。开关损耗是在开关器件的状态变化期间(例如导通/断开和断开/导通转换)发生的功率损耗。开关损耗可以通过在转换期间流过开关器件206、208的电流和开关器件206、208两端的电压来量化。开关器件还可以具有在器件接通时发生的相关传导损耗。
车辆系统可以包括用于测量vvc152的电气参数的传感器。第一电压传感器210可以被配置为测量输入电压(例如电池124的电压)，并且向vvc控制器200提供相应的输入信号(vbat)。在一个或多个实施例中，第一电压传感器210可以测量对应于电池电压的输入电容器202两端的电压。第二电压传感器212可以测量vvc152的输出电压，并向vvc控制器200提供相应的输入信号(vdc)。在一个或多个实施例中，第二电压传感器212可以测量输出电容器204两端的电压，该电压对应于dc总线电压。第一电压传感器210和第二电压传感器212可以包括将电压缩放到适合于vvc控制器200的电平的电路。vvc控制器200可以包括对来自第一电压传感器210和第二电压传感器212的信号进行滤波和数字化的电路。
输入电感器214可以串联电连接在牵引电池124和开关器件206、208之间。输入电感器214可以在存储和释放vvc152中的能量之间交替，以便能够提供作为vvc152输出的可变电压和电流，以及实现期望的电压升高。电流传感器216可以测量通过输入电感器214的输入电流，并向vvc控制器200提供相应的电流信号(il)。通过输入电感器214的输入电流可以是vvc152的输入和输出电压之间的电压差、开关器件206、208的传导时间和输入电感器214的电感l的结果。vvc控制器200可以包括用于缩放、滤波和数字化来自电流传感器216的信号的电路。
vvc控制器200可以被编程为控制vvc152的输出电压。vvc控制器200可以经由车辆网络从vvc152和其他控制器接收输入，并且确定控制信号。vvc控制器200可以监测输入信号
到vvc152的控制信号可以被配置为以特定的开关频率驱动开关器件206、208。在开关频率的每个周期内，开关器件206、208可以在指定的占空比下操作。占空比定义了开关器件206、208处于导通状态和断开状态的时间量。例如，100％的占空比可以在连续导通状态下操作开关器件206、208而不断开。0％的占空比可以在连续断开状态下操作开关器件206、208而不导通。50％的占空比可以将开关器件206、208在导通状态下操作周期的一半，并且在断开状态下操作该周期的一半。两个开关206、208的控制信号可以是互补的。也就是说，发送到开关器件之一(例如206)的控制信号可以是发送到另一个开关器件(例如208)的控制信号的反相版本。对开关器件206、208的互补控制的使用是期望的，以避免电流直接流过高压侧开关器件206和低压侧开关器件208的直通状态。高压侧开关器件206也称为传出器件(passdevice)206，低压侧开关器件208也称为充电器件208(chargingdevice)。
由开关器件206、208控制的电流可以包括纹波分量，其具有随着电流的幅度以及开关器件206、208的占空比和开关频率而变化的幅度。相对于输入电流，最差情况下纹波电流幅度出现在较高输入电流条件下。当占空比固定时，如图4所示，电感器电流的增加导致纹波电流幅度的增加。纹波电流的幅度也与占空比有关。当占空比等于50％时，出现最大幅度的纹波电流。电感器纹波电流幅度与占空比之间的一般关系如图5所示。基于这些事实，在高电流和中等占空比条件下实施降低纹波电流幅度的措施可能是有益的。
当设计vvc152时，可以选择电感器214的开关频率和电感值以满足最大可允许的纹波电流幅度。纹波分量可以是出现在dc信号上的周期性变化。纹波分量可以由纹波分量幅度和纹波分量频率来定义。纹波分量可以具有处于可以增加车辆噪声信号的可听频率范围内的谐波。此外，纹波分量可能导致难以准确地控制由源馈送的器件。在开关瞬变期间，开关器件206、208可以在最大电感器电流(dc电流加纹波电流)下关断，这可能导致开关器件206、208两端的大的电压尖峰。由于尺寸和成本约束，可以基于传导电流来选择电感值。一般来说，随着电流的增加，电感可由于饱和而降低。
可以选择开关频率以限制在最坏情况下(例如最高输入电流和/或接近50％条件的占空比)的纹波电流分量的幅度。开关器件206、208的开关频率可以被选择为大于马达/发电机逆变器的开关频率(例如5khz)的频率(例如10khz)，马达/发电机逆变器连接到vvc152的输出。在一些应用中，vvc152的开关频率可以被选择为预定的固定频率。通常选择预定的固定频率以满足噪声和纹波电流规范。然而，预定固定频率的选择可能不能在vvc152的所有操作范围内提供最佳性能。预定的固定频率可以在特定的一组操作条件下提供最佳结果，但是在其他操作条件下可能是折中的。
增加开关频率可以减小开关器件206、208两端的纹波电流幅度和较低的电压应力，但是可能导致较高的开关损耗。虽然可以针对最差情况的纹波条件选择开关频率，但是vvc152在最差情况的纹波条件下仅可以操作总操作时间的一小部分。这可能导致不必要的高开关损耗，这可能降低燃料经济性。此外，固定的开关频率可以将噪声频谱集中在非常窄的范围内。在该窄的范围内增加的噪声密度可能导致明显的噪声、振动和粗糙度(nvh)问题。
vvc控制器200可以被编程为基于占空比和输入电流来改变开关器件206、208的开关频率。开关频率的变化可以通过降低开关损耗而提高燃油经济性，并且当在最差的操作条件下保持纹波电流目标时减少nvh问题。
在相对高的电流条件期间，开关器件206、208可能经历增加的电压应力。在vvc152的最大操作电流下，可能希望选择相对较高的开关频率，其以合理的开关损耗水平降低纹波分量幅度。可以基于输入电流幅度来选择开关频率，使得当输入电流幅度增加时，开关频率增加。开关频率可以增加到预定的最大开关频率。预定的最大开关频率可以是在较低纹波分量幅度和较高开关损耗之间提供折中的电平。开关频率可以在操作电流范围内以离散步长或连续地变化。
vvc控制器200可以被编程为响应于电流输入小于预定最大电流来降低开关频率。预定的最大电流可以是vvc152的最大操作电流。开关频率的变化可以基于输入到开关器件206、208的电流的幅度。当电流大于预定的最大电流时，开关频率可被设定为预定的最大开关频率。随着电流的减小，纹波分量的幅度减小。通过在电流减小时以较低的开关频率操作，开关损耗降低。开关频率可以基于输入到开关器件的功率而变化。由于输入功率是输入电流和电池电压的函数，所以可以以类似的方式使用输入功率和输入电流。
由于纹波电流也受占空比的影响，所以开关频率可以基于占空比变化。占空比可以基于输入电压和输出电压的比来确定。因此，开关频率也可以基于输入电压和输出电压之间的比而变化。当占空比接近50％时，预测纹波电流幅度为最大值，并且开关频率可以设定为预定的最大频率。预定的最大频率可以是被选择用于最小化纹波电流幅度的最大开关频率值。开关频率可以在占空比范围内以离散步长或连续地变化。
vvc控制器200可以被编程为响应于占空比和预测的纹波分量幅度为最大处的占空比值(例如50％)之间的差值的幅度，从而从预定的最大频率开始减小开关频率。当差值的幅度小于阈值时，可以将开关频率设定为预定频率。当差值的大小减小时，开关频率可以朝着预定的最大频率增加，以减小纹波分量幅度。当差值的幅度小于阈值时，可以将开关频率设定为预定的最大频率。
开关频率可以被限制在预定最大频率和预定最小频率之间。预定的最小频率可以是大于连接到可变电压转换器152的输出的电力电子模块126的预定开关频率的频率等级。开关频率也可以基于与igbt的栅极相关联的寄生电感。
参考图3，提供了一种用于控制电力电子模块(pem)126的系统300。图3的pem126被示为包括多个开关302(例如igbt)，开关302被配置为共同地作为具有第一、第二和第三相脚316、318、320的逆变器操作。尽管逆变器显示为三相转换器，逆变器可包括额外的相脚。例如，逆变器可以是四相转换器、五相转换器、六相转换器等。此外，pem126可以包括多个转换器，pem126中的每个逆变器包括三个或更多个相脚。例如，系统300可以控制pem126中的两个或更多个逆变器。pem126还可以包括具有大功率开关(例如igbt)的dc-dc转换器，以经由升压、降压或其组合将电力电子模块输入电压转换成电力电子模块的输出电压。
如图3所示，逆变器可以是dc-ac转换器。在操作中，dc-ac转换器通过dc总线304从dc功率链路306接收dc功率，并将dc功率转换为ac功率。ac功率经由相电流ia、ib和ic传输，以驱动也称为电机114的ac电机，如图3所示的三相永磁同步电动机(pmsm)。在这种示例中，dc功率链路306可以包括dc蓄电池以向dc总线304提供dc功率。在另一示例中，逆变器可以作为将来自ac电机114(例如发电机)的ac功率转换为dc功率的ac-dc转换器，dc总线304可以将该dc功率向dc功率链路306提供。此外，系统300可以控制其它电力电子拓扑中的pem126。
继续参考图3，逆变器中的相脚316、318、320中的每一个包括功率开关302，其可以由各种类型的可控开关来实现。在一个实施例中，每个功率开关302可以包括二极管和晶体管(例如igbt)。图3的二极管分别标记为da1、da2、db1、db2、dc1和dc2，而图3的igbt分别标记为sa1、sa2、sb1、sb2、sc1和sc2。功率开关sa1、sa2、da1和da2是三相转换器的相脚a的一部分，其被标记为图3中的第一相脚a316。类似地，功率开关sb1、sb2、db1和db2是相脚b318的一部分，并且功率开关sc1、sc2、dc1和dc2是三相转换器的相脚c320的一部分。逆变器可以包括任何数量的功率开关302或电路元件，这取决于逆变器的特定配置。然而，二极管(dxx)与igbt(sxx)并联连接，为了正常操作而极性相反，这种配置通常被称为反并联连接。这种反并联配置中的二极管也称为续流二极管。每个相脚可以视为配置为半桥配置的两个开关，并且典型的三相功率逆变器包括三个半桥。
如图3所示，提供电流传感器csa、csb和csc以感测各相脚316、318、320中的电流。图3示出了与pem126分离的电流传感器csa、csb和csc。然而，根据其配置，电流传感器csa、csb和csc可以被集成为pem126的一部分。图3的电流传感器csa、csb和csc与每个相脚a、b和c(即图3中的相脚316、318、320)串联安装，并为系统300提供相应的反馈信号ias、ibs和ics(也在图3中示出)。反馈信号ias、ibs和ics可以是被逻辑器件(ld)310处理的原始电流信号，或者可以被嵌入或编码有关于流动通过相应的相脚316、318、320电流的数据或信息。并且，功率开关302(例如igbt)可以包括电流感测能力。电流感测能力可以包括配置有电流镜像输出，其可以提供表示为ias、ibs和ics的数据/信号。数据/信号可以指示电流的方向、电流的幅度或者通过相应的相脚a、b和c的电流的方向和幅度二者。
再次参考图3，系统300包括逻辑器件(ld)或控制器310。控制器或ld310可以通过电子器件和/或基于微处理器的计算机或控制器的各种类型或组合来实现。为了实现控制pem126的方法，控制器310可以执行嵌入或编码有该方法并存储在易失性和/或永久存储器312中的计算机程序或算法。或者，逻辑可以被编码在存储在一个或多个集成电路芯片上的离散逻辑、微处理器、微控制器或逻辑或门阵列中。如图3的实施例所示，控制器310接收并处理反馈信号ias、ibs和ics以控制相电流ia、ib和ic，使得相电流ia、ib和ic根据各种电流或电压模式流过相脚316、318、320并进入电机114的相应绕组。例如，电流模式可以包括流入和流出dc总线304或dc总线电容器308的相电流ia、ib和ic的模式。图3的dc总线电容器308被示出为与pem126分离。然而，dc总线电容器308可以被集成为pem126的一部分。
如图3所示，诸如计算机可读存储器的存储介质312(以下称为“存储器”)可以存储嵌入或编码有该方法的计算机程序或算法。此外，存储器312可以存储关于pem126中的各种操作条件或部件的数据或信息。例如，存储器312可以存储关于流动通过相应的相脚316、318、320的电流的数据或信息。存储器312可以是如图3所示的控制器310的一部分。然而，存储器312可以被定位在控制器310可访问的任何适当位置。
如图3所示，控制器310将至少一个控制信号236传输到功率转换器系统126。功率转换器系统126接收控制信号322以控制逆变器的开关配置，并因此控制通过相应的相脚316、318和320的电流。开关配置是逆变器中的功率开关302的一组开关状态。通常，逆变器的开关配置决定了逆变器如何在dc功率链路306和电机114之间转换功率。
为了控制逆变器的开关配置，逆变器基于控制信号322将逆变器中的每个功率开关302的开关状态改变为on(开)状态或off(关)状态。在所示实施例中，为了将功率开关302切换到on或off状态，控制器/ld310向每个功率开关302提供栅极电压(vg)，因此驱动每个功率开关302的开关状态。栅极电压vga1、vga2、vgb1、vgb2、vgc1和vgc2(图3所示)控制各个功率开关302的开关状态和特性。虽然在图3中将逆变器示为电压驱动器件，但是逆变器可以是电流驱动器件，或者可以通过将功率开关302在on状态和off状态之间切换的其它策略来控制。控制器310可以基于电机114的转速、镜像电流或igbt开关的温度来改变每个igbt的栅极驱动。栅极驱动的变化可以从多个栅极驱动电流中选择，其中栅极驱动电流的变化与igbt开关速度的变化成比例。
如图3所示，每个相脚316、318和320包括两个开关302。然而，每个相脚316、318、320中只有一个开关可以处于on状态，而不会使dc功率链路306短路。因此，在各相脚中，下部开关的开关状态通常与相应的上部开关的开关状态相反。顶部开关通常被称为高压侧开关(即302a、302b、302c)，并且下部开关通常被称为低压侧开关(即302d、302e、302f)。因此，相脚的high(高)状态是指相脚中的上部开关处于on状态而下部开关处于off状态。同样地，相脚的low(低)状态是指相脚中的上部开关处于off状态而下部开关处于on状态。结果，具有电流镜面能力的igbt可以是所有的igbt、igbt的子集(例如sa1、sb1、sc1)或单个igbt。
在图2所示的三相转换器示例的有效状态期间可以发生两种情况：(1)两相脚处于high状态，而第三相脚处于low状态，或(2)一个相脚处于high状态，而另外两个相脚处于low状态。因此，可以被定义为逆变器的特定有效状态的“参考”相的三相转换器中的一个相脚处于与其它两个相脚或具有相同的状态的“非参考”相相反的状态。因此，在逆变器的有效状态期间，非参考相两者都处于high状态或者两者都处于low状态。
图4a是施加到开关的栅极的电压402相对于时间404的图示说明400a，以及图4b是由开关驱动的负载电流406相对于时间404的图示说明400b。这些图示出了当sc保护被成功触发时开关(例如igbt)的软关断波形408a和在时间t1410电流406超过短路阈值412之后触发的快速关断408b。在t1410之前，开关导通，从而导致电流408的增加。在t1410，开关电流408达到sc保护阈值412。在短路保护延迟时间414之后，可以激活软关断。短路保护延迟时间414可以基于包括平均、滤波和测量的标准。测量可以由比较器、a/d转换器执行，或者可以在远程传感器中执行。例如，对于使用比较器测量的系统，通过比较器的传播延迟可以是短路保护延迟时间414的标准的一部分。在使用远程传感器的系统中，由远程传感器的测量和传输以及由控制器接收的传播延迟可以是短路保护延迟时间414的标准的一部分。此外，平均和滤波可以包括使用诸如有限脉冲响应(fir)滤波器、无限脉冲响应(iir)滤波器或其它公共滤波器的模拟或数字滤波器，其中执行滤波器的传播延迟可以是短路保护延迟时间414的标准的一部分。平均可以包括定时器计数(向下或向上)的定时器的操作，并且一旦诸如定时器与时间周期值的上溢、下溢或匹配等的事件，定时器可以输出信号。定时器的周期可以是短路保护延迟时间414的标准的一部分。控制器可以使用该信号来锁存、选择或进入操作模式，或执行特定任务。例如，如果电流408在周期414期间(例如在掩码定时器期满之前)没有降到阈值412以下，则控制器可以在时间t2416启动软关断。
然而，由于sc保护延迟时间414在关断请求之前未期满，存在sc保护(例如软关断)未成功触发的情况。例如，在图4b中，示出了在通过作为短路保护延迟时间414的标准的一部分的比较器的传播延迟期满之前发生关断请求。因此，当电流处于短路阈值412以上的电平420时，在时间t3424触发快速关断408b。由于软关断尚未启动或启用，栅极电压422使用正常或快速关断(例如使用标准断开电阻roff)在点t3424处转换为低电平。由于该关断是在负载短路期间执行的，所以快速关断是硬关断，因为开关的低栅极电阻允许开关快速转换。当开关驱动高电流时，硬关断可能会损坏开关。硬关断连同流过电感器的大电流导致开关两端的电压尖峰。
解决方案可以是使关断请求延迟或禁止大于短路保护延迟时间414的延迟周期428，从而允许短路保护延迟时间414在时间t2416期满触发软关断。
图5是用于两个开关502a、502b的双栅极驱动电路504a、504b的示意图500，其包括经由具有跨死区时间延迟(deadtimedelay)的软关断的短路保护。该示意图500可以被检视为第一电路和第二电路，其中第一电路包括以“a”结尾的元件，并且第二电路包括以“b”结尾的元件。第一电路具有示出为具有集电极、栅极、负载发射极、开尔文发射极和感测发射极的n沟道igbt的开关502a。开关502a与具有逻辑506a的栅极驱动器504a连接，该逻辑506a控制导通输出508a、快速关断输出512a以及软关断输出516a，其中导通输出508a被配置为通过导通电阻510a使电流流过开关502a的栅极、快速关断输出512a被配置为通过导通电阻器514a使电流流过开关502a的栅极以及软关断输出516a被配置为通过导通电阻器518a使电流流过开关502a的栅极。开关与电流传感器520a连接，电流传感器520a被示为连接在电流感测发射极和开尔文发射极之间的电阻器。电流传感器520a由这里示出的包括电压比较器524a和掩码定时器(masktimer)526a的电流感测监视器522a监测。这里，掩码定时器526a从栅极驱动器504a和保持或延迟电路528a输出故障，保持或延迟电路528a从电流传感器520a的比较器524a接收原始或未滤波的信号。保持电路528a可以用于驱动用于第二电路的死区时间电路530b，而第一电路的死区时间电路530a由第二电路驱动，并且死区时间电路530a用于将到栅极驱动器504a的导通请求延迟。虽然分开示出，死区时间电路530a可以与栅极驱动器504a集成。
与第一电路类似，第二电路具有示出为具有集电极、栅极、负载发射极、开尔文发射极和感测发射极的n沟道igbt的开关502b。开关502b与具有逻辑506b的栅极驱动器504b连接，该逻辑506b控制导通输出508b、快速关断输出512b以及软关断输出516b，其中导通输出508b被配置为通过导通电阻510b使电流流过开关502b的栅极、快速关断输出512b被配置为通过导通电阻器514b使电流流过开关502b的栅极以及软关断输出516b被配置为通过导通电阻器518b使电流流过开关502b的栅极。开关与电流传感器520b连接，电流传感器520b被示为连接在电流感测发射极和开尔文发射极之间的电阻器。电流传感器520b由这里示出的包括电压比较器524b和掩码定时器526b的电流感测监视器522b监测。这里，掩码定时器526b从栅极驱动器504b和保持或延迟电路528b输出故障，保持或延迟电路528b从电流传感器520b的比较器524b接收原始或未滤波的信号。保持电路528b可以用于驱动用于第一电路的死区时间电路530a，而第二电路的死区时间电路530b由第一电路驱动，并且死区时间电路530b用于将到栅极驱动器504b的导通请求延迟。虽然分开示出，死区时间电路530b可以与栅极驱动器504b集成。
图6是用于具有经由软关断的短路保护的igbt602的传统栅极驱动电路604的示意图600。igbt602与具有逻辑606的栅极驱动器604连接，该逻辑606控制导通输出608、快速关断输出612以及软关断输出616，其中导通输出608被配置为通过导通电阻610使电流流过igbt602的栅极、快速关断输出612被配置为通过导通电阻器614使电流流过igbt602的栅极以及软关断输出616被配置为通过导通电阻器618使电流流过igbt602的栅极。igbt与电流传感器620连接，电流传感器620被示为连接在电流感测发射极和开尔文发射极之间的电阻器。电流传感器620由这里示出的包括电压比较器624和掩码定时器626的电流感测监视器622监测。掩码定时器626的输出由逻辑606控制，以控制包括经由软关断输出616启用、锁存或启动软关断的导通和关断。
图7是用于两个igbt702a、702b的双栅极驱动电路704a、704b的示意图700，其包括使用原始电流反馈的短路保护，以实现具有跨死区时间延迟的软关断。类似于图5，该示意图700可以被检视为第一电路和第二电路，其中第一电路包括以“a”结尾的元件并且第二电路包括以“b”结尾的元件。第一电路具有示出为具有集电极、栅极、负载发射极、开尔文发射极和感测发射极的n沟道igbt的开关702a。开关702a与具有逻辑706a的栅极驱动器704a连接，其中逻辑706a控制导通输出708a、快速关断输出712a以及软关断输出716a，其中导通输出708a被配置为通过导通电阻710a使电流流过开关702a的栅极、快速关断输出712a被配置为通过导通电阻714a使电流流过开关702a的栅极以及软关断输出716a被配置为通过导通电阻718a使电流流过开关702a的栅极。开关与电流传感器720a连接，电流传感器720a被示为连接在电流感测发射极和开尔文发射极之间的电阻器。电流传感器720a由这里示出的包括电压比较器724a和掩码定时器726a的电流感测监视器722a监测。这里，掩码定时器726a从栅极驱动器704a输出故障，并且控制逻辑706a从电流传感器720a的比较器724a接收原始或未滤波的信号。控制逻辑706a可以用于驱动用于第二电路的死区时间电路730b，而第一电路的死区时间电路730a由第二电路驱动，并且死区时间电路730a用于将到栅极驱动器704a的导通请求延迟。虽然分开示出，死区时间电路730a可以与栅极驱动器704a集成。
与第一电路类似，第二电路具有示出为具有集电极、栅极、负载发射极、开尔文发射极和感测发射极的n沟道igbt的开关702b。开关702b与具有逻辑706b的栅极驱动器704b连接，该逻辑706b控制导通输出708b、快速关断输出712b以及软关断输出716b，其中导通输出708b被配置为通过导通电阻710b使电流流过开关702b的栅极、快速关断输出712b被配置为通过导通电阻器714b使电流流过开关702b的栅极以及软关断输出716b被配置为通过导通电阻器718b使电流流过开关702b的栅极。开关与电流传感器720b连接，电流传感器720b被示为连接在电流感测发射极和开尔文发射极之间的电阻器。电流传感器720b由这里示出的包括电压比较器724b和掩码定时器726b的电流感测监视器722b监测。这里，掩码定时器726b从栅极驱动器704b输出故障，并且控制逻辑706b从电流传感器720b的比较器724b接收原始或未滤波的信号。控制逻辑706b可以用于驱动用于第一电路的死区时间电路730a，而第二电路的死区时间电路730b由第一电路驱动，并且死区时间电路730b用于将到栅极驱动器704b的导通请求延迟。虽然分开示出，死区时间电路730b可以与栅极驱动器704b集成。
sc保护的功能可以由图5、6或7所示的部件来实现，例如与电流传感器520连接的电流感测监视器522或与电流传感器720连接的电流感测监视器722，然而，可以使用其他实施例。例如，代替与电流感测发射极串联的电流传感器，可以使用如图3所示的电流传感器(csa、csb或csc)或图2的电流传感器216。返回参考图5、6和7，igbt电流镜或电流感测输出通常是流过显示为igbt的开关的负载发射极的电流的一小部分。这里，电流传感器520、620、720是电阻器，其中电阻器(vc)两端的电压是栅极驱动器504、604、704的电流感测监视器522、622、722的输入。将vc与作为sc保护阈值的内部参考电压vsc_ref进行比较。当vc大于vsc_ref时，比较器切换并触发sc保护。通常，在存在电磁干扰(emi)的环境中测量vc，因此，电流感测信号通常具有由包括开关502、602、702的开关瞬态的许多因素引起的噪声。掩码定时器526、626、726可以用于通过减少假sc触发事件来提高系统的稳定性。
掩码定时器可以被配置为保持、平均、滤波或以其他方式调节来自电流传感器的信号。一种方法将是使用短路保护延迟，其可以基于诸如平均、滤波、测量或其他信号调节的标准来增加稳定性。这里，可以由比较器、a/d转换器执行测量或者测量可以是由控制器或逻辑从远程传感器接收的数字或模拟信号。在使用比较器或a/d转换器的系统中，传播延迟可以是短路保护延迟时间的分量。而对于远程传感器系统，传播延迟可以包括由远程传感器测量和发送并由控制器或逻辑接收。平均、滤波或其他调节可以包括使用诸如fir滤波器、iir滤波器或其它公共滤波器或控制回路的模拟或数字滤波器，其中执行操作的传播延迟可以是短路保护延迟时间的标准的一部分。平均可以包括定时器计数(向下或向上)的定时器的操作，并且一旦诸如定时器与时间周期值的上溢、下溢或匹配等的事件，定时器可以输出信号。定时器的周期可以是短路保护延迟时间的标准的一部分。控制器可以使用该信号来锁存、选择或进入操作模式，或执行特定任务。例如，如果电流传感器测量的电流在该周期期间没有下降到阈值以下(例如在掩码定时器期满之前)，则控制器可以启动软关断。实际上，包括比较器延迟和掩码定时器的sc保护延迟时间通常为1us。通常，掩码定时器包括时基、时间寄存器以及重加载寄存器(reloadregister)，时基设置定时器将递增或递减的速率、时间寄存器是保持以时基定义的速率递减或递增的计数寄存器的当前值的寄存器。当提到掩码定时器的期满时，通常包括定时器以递减模式下溢或匹配重加载寄存器的值、定时器以递增模式上溢或匹配重加载寄存器的值或在行业中使用定时器来产生时间段的其他方式或在行业中常见生成时基的另一方式。
返回参考图5，具体地说是保持/延迟电路528a、528b。在sc保护延迟时间为1us的系统中，保持/延迟电路可以配置为一旦达到sc阈值，保持导通信号达1.2us(即比sc延迟时间长)，而无论输入信号如何。这可以避免igbt由于原始输入信号而被硬关闭的状况。保持/延迟电路528a、528b可以是分离的逻辑，或者可以集成有控制逻辑506a、506b。例如，保持/延迟电路528a、528b可以是组合逻辑、独立定时器(例如，诸如lm555的外部定时器)或集成到微控制器或可编程逻辑器件中的定时器。开关波形如图4b所示，其中igbt电流在t1410达到sc阈值。输入栅极导通信号在点426处延长1.2us，在达到1.2us延迟时间之前，sc保护电路可以在t2416时软关断igbt。
当使用图5的保持/延迟电路528a、528b如所描述的使栅极导通信号延长1.2us时，可以增加上部和下部开关之间的交叉传导的可能性。上部和下部开关通常当被配置为如图3所示的功率逆变器的半桥时使用。在如图5所示的每个栅极驱动器输入之前加上死区时间电路530a、530b。死区时间电路530a、530b将导通信号延迟1.2us。死区时间电路530a、530b通常被旁路，因此电路不会对系统正常操作产生任何干扰。在已经修改了上部/下部开关导通信号的情况下，可以修改死区时间电路530a、530b的延迟以防止下部/上部器件发生击穿。
参考图7所示的实施例与常规解决方案相比，每当达到sc阈值时，图7的系统向栅极驱动器逻辑发送软关断使能信号。这里，软关断使能信号是原始或未处理的信号，术语原始或未处理的信号通常是指除了生成信号所需的逻辑外没有或限制附加的滤波、锁存或延迟的信号。因此，当超过sc阈值时，响应于输入关断信号，软关断将被使能。这样在延迟时间达到之前，通过输入信号的存在避免了igbt的硬关断状态。由于触发sc阈值的信号只会降低关断速度，因此该系统可能在噪声环境中操作。此外，通过增加死区时间延迟电路，如果软关断速度足够慢以致可能导致上部和下部igbt的交叉传导，则可以触发正常旁路的死区时间电路。
具有附加延迟时间的常规栅极驱动器短路功能可以用于避免sc保护的噪声触发。由于sc保护延迟时间，可能存在不能被常规栅极驱动器sc保护充分覆盖的场景。这里，提出的解决方案可以成功地避免这些情况，并成功实现一定程度的sc保护。所提出的解决方案简单，并且系统成本有限或不增加。
由控制器执行的控制逻辑或功能可以由一个或多个图中的流程图或类似图表示。这些图提供了可以使用诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等的一个或多个处理策略来实现的代表性控制策略和/或逻辑。因此，所示的各种步骤或功能可以以所示的顺序并行地执行或在某些情况下被省略。尽管并不总是明确说明，但是本领域普通技术人员将认识到，所示出的一个或多个步骤或功能可以根据所使用的具体处理策略重复执行。类似地，此过程顺序不一定是为了实现本文所述的特征和优点所需的，而是为了便于说明和描述而提供。控制逻辑可以主要在由基于微处理器的车辆、发动机和/或动力传动系控制器(例如控制器)执行的软件中实现。当然，控制逻辑可以在一个或多个控制器中的软件、硬件或软件和硬件的组合中实现，这取决于具体应用。当以软件实现时，可以在一个或多个计算机可读存储器件或媒体中提供控制逻辑，该存储器件或媒体具有表示由计算机执行以控制车辆或其子系统的代码或指令的存储数据。计算机可读存储器件或介质可以包括利用电、磁和/或光存储来保持可执行指令和相关联的校准信息、操作变量等的多个已知物理器件中的一个或多个。
本文公开的过程、方法或算法可以由可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元的处理设备、控制器或计算机传送/实现。类似地，过程、方法或算法可以作为可由许多形式的控制器或计算机执行的数据和指令存储，该数据和指令包括但不限于永久存储在诸如只读存储器(rom)器件的不可写存储介质上的信息和可变更地存储在诸如软盘、磁带、光盘(cd)、随机存取存储器(ram)器件以及其它磁和光介质的可写存储介质上的信息。过程、方法或算法也可以在软件可执行对象中实现。或者，过程、方法或算法可以全部或部分地使用合适的硬件部件来体现，例如专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、状态机、控制器或其他硬件部件或器件、或硬件、软件和固件部件的组合。
虽然上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意图说明权利要求所包含的所有可能形式。说明书中使用的词是描述性的而不是限制性的，并且应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。如前所述，可以将各种实施例的特征组合以形成本发明的未被明确描述或示出的进一步的实施例。虽然可以将各种实施例描述为相对于一个或多个期望特征提供优点或优于其他实施例或现有技术实施方案，但是本领域普通技术人员认识到，一个或多个特征或特点可以被折中以达到期望的整体系统属性，其取决于具体的应用和实施方式。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐久性、寿命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易于组装性等。因此，相对于一个或多个特征，被描述为不如其他实施例或现有技术实施方式可取的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用而言是可取的。
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